Новый метод измерения температуры микрочипов с помощью люминесцентных наночастиц

Традиционные способы измерения температуры демонстрируют ограниченную эффективность в микроэлектронике. Контактные датчики обладают значительными размерами относительно элементов микросхем и подвержены влиянию электромагнитных помех, что затрудняет точное определение теплового режима. Дистанционная люминесцентная термометрия, хотя и существует как альтернатива, редко применяется из-за низкой чувствительности в широком диапазоне температур и зависимости сигнала от случайных внешних факторов.

Новый подход, разработанный специалистами, основан на способности люминесцентных сенсоров улавливать тепло, испускаемое элементами микросхемы, и изменять свои оптические характеристики. Отслеживание этих изменений позволяет определять температуру с высокой точностью. Метод обеспечивает быстрое измерение нагрева даже миниатюрных объектов без повреждения их структуры, хотя оптимальный состав таких датчиков ранее не был подобран.

Материал для точного контроля

Сотрудники Ресурсного центра «Оптические и лазерные методы исследования вещества» Научного парка СПбГУ предложили использовать в качестве материалов для контроля оксиды редкоземельных элементов, модифицированные ионами эрбия и иттербия. Выбор этих элементов обусловлен их выраженными люминесцентными свойствами и возможностью точного синтеза: они способны заметно менять свечение даже при незначительном нагреве. Полученные образцы проявляли интенсивную люминесценцию как при понижении, так и при повышении температуры.

Исследование, поддержанное грантом РНФ и опубликованное в журнале Applied Materials Today, включало сравнение двух методов термометрии с использованием синтезированных наночастиц. Вторичная термометрия — классический подход, при котором предварительно определяется зависимость между свечением индикатора и температурой для расчета эталонных значений. Первичная термометрия — более сложный метод, где температура рассчитывается напрямую из измеряемых физических величин через фундаментальные уравнения, без калибровки по эталонным точкам. Разработанный материал оказался пригодным для обоих методов в диапазоне 25–110°C.

Практическая проверка и перспективы

Ученые провели эксперимент на реальном микроэлектронном устройстве — графическом процессоре видеокарты. На поверхность чипа был нанесен тонкий слой разработанного материала. Изменяя нагрузку на процессор, исследователи дистанционно следили за его нагревом. Результаты подтвердили надежность метода: данные, полученные с помощью люминесцентной термометрии, совпали с показаниями тепловизора с погрешностью всего 1–2°C. В режиме первичной термометрии с инфракрасным возбуждением, имитирующим нагрев, ошибка составила около 0,9°C.

Руководитель проекта, специалист по спектрофлуорометрии Научного парка СПбГУ Илья Колесников отметил, что предложенные сенсоры оказались эффективными тепловыми датчиками, работающими в диапазоне, важном для задач микроэлектроники. Они позволяют дистанционно измерять нагрев электронных компонентов с высокой чувствительностью. В дальнейшем планируется повысить надежность и точность контроля теплового состояния с помощью одновременного анализа нескольких температурно-зависимых люминесцентных параметров.

Разработка открывает перспективы для применения не только в микроэлектронике, но и в медицине, где требуется прецизионный и бесконтактный контроль температуры живых клеток. Использование люминесцентных наночастиц устраняет необходимость в громоздких контактных датчиках и минимизирует влияние внешних помех, что особенно важно для работы с миниатюрными и чувствительными системами.